相干光收發(fā)器在接入領(lǐng)域的前景

  對(duì)數(shù)據(jù)和其他數(shù)字服務(wù)的需求正在成倍增加。從2010年到2020年，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)增加了一倍，全球互聯(lián)網(wǎng)流量增加了12倍。從2020年到2026年，互聯(lián)網(wǎng)流量可能會(huì)增加5倍。為了滿(mǎn)足這一需求，數(shù)據(jù)通信和電信運(yùn)營(yíng)商需要不斷升級(jí)他們的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

  這一升級(jí)道路上的主要障礙仍然是收發(fā)器的功耗、熱管理和可負(fù)擔(dān)性。在過(guò)去的二十年里，隨著我們從直接探測(cè)到更耗電的相干傳輸，可插拔模塊的額定功率不斷增加：從SFP模塊的2W到QSFP模塊的3.5W，到現(xiàn)在QSSFP-DD的14W和OSFP外形尺寸的21.1W。這種功耗的增加似乎與邊緣網(wǎng)絡(luò)的功率要求相矛盾。

  本文將回顧旨在解決這些挑戰(zhàn)的邊緣網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器在數(shù)據(jù)率、功耗和安裝空間要求方面的趨勢(shì)。

  降低接入的數(shù)據(jù)速率

  鑒于400ZR可插拔式相干解決方案在市場(chǎng)上的成功，電信部門(mén)關(guān)于400G可插拔式設(shè)備的未來(lái)，往往集中在討論800G解決方案和800ZR上。然而，對(duì)于邊緣網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的 "縮減 "到100G相干產(chǎn)品，人們也越來(lái)越興奮。

  在未來(lái)幾年，100G相干上行鏈路將在整個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)的部署和應(yīng)用中變得越來(lái)越廣泛。一些移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用案例必須將其現(xiàn)有的10G DWDM鏈路聚合升級(jí)為單一的相干100G DWDM上行鏈路。同時(shí)，有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)和商業(yè)服務(wù)正在將其客戶(hù)鏈路從1Gbps升級(jí)到10Gbps，這種遷移將會(huì)是增加對(duì)相干100G上行鏈路需求的重要因素。對(duì)于提供融合電纜/移動(dòng)接入的運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，這些對(duì)100G上行鏈路的升級(jí)將使他們有機(jī)會(huì)在現(xiàn)有的電纜網(wǎng)絡(luò)中疊加更多的商業(yè)服務(wù)和移動(dòng)流量。

  向低功耗邁進(jìn)

  數(shù)據(jù)中心和5G網(wǎng)絡(luò)可能是炙手可熱的商品，但實(shí)現(xiàn)它們的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行更熱。電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的熱量;電子設(shè)備散失的熱能越多，就必須花更多的錢(qián)和精力來(lái)給它降溫。這些電源效率問(wèn)題不僅影響環(huán)境，也影響通信公司的底線(xiàn)。

  如下表所示，數(shù)據(jù)中心和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)將繼續(xù)推動(dòng)電力消耗上升。

圖：2020年和2030年估計(jì)的ICT電力消耗比較，按不同的ICT部門(mén)劃分。資料來(lái)源： Anders Andrae(華為)，2020年。

  在接入網(wǎng)領(lǐng)域，這些電力限制甚至更加緊迫。與數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)核心不同，接入網(wǎng)設(shè)備生活在不受控制的環(huán)境中，冷卻能力有限。因此，每一個(gè)額外的可插拔電源消耗瓦特都會(huì)影響供應(yīng)商和運(yùn)營(yíng)商如何設(shè)計(jì)他們的機(jī)柜和設(shè)備。

  這些矛盾是QSFP28外形尺寸解決方案在100ZR領(lǐng)域變得越來(lái)越有吸引力的一個(gè)主要原因。它們的功耗(最高6瓦)比QSFP-DD外形尺寸(最高14瓦)低，這使得它們可以在接入網(wǎng)機(jī)房中更密集地堆放。此外，QSFP28模塊與現(xiàn)有的接入網(wǎng)設(shè)備兼容，這些設(shè)備通常具有QSFP28槽位。

  除了在100G相干性方面轉(zhuǎn)向QSFP28外形尺寸外，我們還相信另外兩種降低功耗的方法：

  增加集成度：較小的、高度集成的光學(xué)元件之間的互連比更多的分立元件之間的互連耗電更少。我們將在下一節(jié)進(jìn)一步討論這個(gè)問(wèn)題。

  協(xié)同設(shè)計(jì)：正如我們?cè)谇耙黄P(guān)于適合平臺(tái)的DSP的文章中所解釋的，在磷化銦平臺(tái)上設(shè)計(jì)的收發(fā)器光學(xué)引擎可以被設(shè)計(jì)成在與DSP的信號(hào)輸出兼容的電壓下運(yùn)行。這樣，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的DSP可以直接驅(qū)動(dòng)PIC，而不需要單獨(dú)的模擬驅(qū)動(dòng)器，從而避免了大量的電源轉(zhuǎn)換開(kāi)銷(xiāo)。

  我們還能向更小的安裝空間邁進(jìn)嗎?

  朝著更小的可插拔芯片的方向發(fā)展不一定是一個(gè)目標(biāo)，但正如我們?cè)谏弦还?jié)中提到的，它是實(shí)現(xiàn)低能耗目標(biāo)的一種手段。減少光學(xué)元件及其互連的尺寸，意味著芯片內(nèi)的光傳播的距離更小，積累的光損耗更少。

  讓我們看一下激光器的例子。在過(guò)去的十年里，可調(diào)諧激光器的封裝和集成的技術(shù)進(jìn)步與對(duì)更小尺寸的需求相匹配。2011年，可調(diào)諧激光器遵循多源協(xié)議(MSA)，用于可集成可調(diào)諧激光器組件(ITLAs)。ITLA封裝的寬度約為30.5毫米，長(zhǎng)度為74毫米。到2015年，可調(diào)諧激光器以更緊湊的Micro-ITLA外形尺寸出售，將原來(lái)的ITLA封裝尺寸減少了一半。而在2019年，激光器開(kāi)發(fā)商宣布了一種新的Nano-ITLA外形尺寸，將尺寸再次減少了近一半。

用于相干光學(xué)的可調(diào)諧激光器尺寸大小的演變(2011-2021)。圖片來(lái)源：Laser Focus World。

  未來(lái)減少可調(diào)諧激光器的安裝面積將需要對(duì)其部件進(jìn)行更大的整合。例如，每個(gè)可調(diào)諧激光器都需要一個(gè)波長(zhǎng)鎖定器部件，它可以穩(wěn)定激光器的輸出，而不受溫度等環(huán)境條件的影響。將波長(zhǎng)鎖定器部件集成在激光器芯片上，而不是在外部安裝，將有助于減少激光器封裝的尺寸和功耗。

  減少可調(diào)諧激光器封裝尺寸的另一個(gè)潛在前景與控制電子裝置有關(guān)。目前的ITLA標(biāo)準(zhǔn)包括激光器封裝上的完整控制電子元件，包括功率轉(zhuǎn)換和溫度控制。然而，如果由收發(fā)器的主板來(lái)處理其中的一些電子功能，而不是在激光器封裝里面處理，那么激光器封裝的尺寸就可以縮小。

  這種方法意味著縮小后的激光器封裝只有在連接到收發(fā)器主板上時(shí)才會(huì)有完整的功能。然而，一些收發(fā)器的開(kāi)發(fā)者會(huì)欣賞激光器封裝的減少，以及提供自己的激光控制電子元件的額外自由。

  啟示

  接入網(wǎng)絡(luò)中不斷增長(zhǎng)的帶寬需求迫使相干插件面臨復(fù)雜的問(wèn)題，即在保持足夠好的性能的同時(shí)轉(zhuǎn)向更低的成本和功率消耗。

  向QSFP28外形尺寸的100G相干解決方案的轉(zhuǎn)變將在滿(mǎn)足接入網(wǎng)領(lǐng)域的功耗要求方面發(fā)揮重要作用。進(jìn)一步的收益可以通過(guò)提高光學(xué)元件的集成度和共同設(shè)計(jì)收發(fā)器的光學(xué)和電子引擎以減少低效率來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)消除激光器封裝和主收發(fā)器板中多余的激光器控制功能，也可以進(jìn)一步提高收發(fā)器的占地面積。